3D yazıcıların ardından dünyayı değiştirecek en büyük buluş, aynı üretim tekniklerini kullanan ancak nem ve sıcaklık gibi ortamda koşullarındaki değişikliklere yanıt olarak şekil değiştirecek "4D malzemeler" olabilir. Bu malzemeler, aktif origami veya şekil değiştirme sistemleri olarak da biliniyor.
MIT'deki bilim insanları, insan yüzü de dahil olmak üzere, daha önce elde edilenlerden çok daha karmaşık yapılara dönüşebilen düz yapılar oluşturmayı başardılar. Önceki araştırmacılar, bu tür malzemelerin basit yapılara dönüşmesini sağlayabiliyordu. MIT'de makine mühendisi olan Wim van Rees, ince, düz bir yüzeyi kürelere, kubbelere veya insan yüzü gibi daha karmaşık şekillere dönüştürmek için teorik bir yöntem geliştirdi.
van Rees'in ilk simülasyonları, ne kadar genişleyebileceği veya daralabileceği konusunda sınırsız esneklik sunan ideal malzemeler içindi. Ancak gerçek dünyadaki malzemelerin çoğunun sınırları var. van Rees, "Amacım, elde etmek istediğimiz insan yüzü gibi, karmaşık bir 3 boyutlu şekil ile başlamaktı. Peki daha sonra materyali nasıl programlayacağız? Bu, bir ters tasarım sorunu." diyerek önündeki engeli açıkladı. Bu sorun, ilk olarak 19. yüzyılın matematikçisi Carl Friedrich Gauss tarafından tanımlanan "çift eğrilik" sorunu.
Gauss, 1828'de "Therema Egregium"u (dikkate değer teorem) önerdi. Teorem, bir yüzeyin eğriliğini sadece açılarını ve mesafelerini ölçerek belirleyebiliyor. Bu da materyal eğrildiğinde yüzey eğriliğinin değişmediği anlamına geliyor. Örneğin, bir pizza katlayarak yerken, katlanan dilim katlama yönünde dikey olarak daha sert hale gelir ve yemeyi kolaylaştırır.
Ancak yüzey gerilmemeli, küçülmemeli veya yırtılmamalı. Düz bir sayfayı farklı bir Gauss eğriliği ile karmaşık şekillere dönüştürmeye çalışmak sorun oluşturur. Mesela, kağıt sıfır Gauss eğriliğine sahipken top, çift eğriliğe sahiptir. Bu yüzden futbol topunu sarmak için kağıdı yanlardan ve alttan kırmanız ve buruşturmanız gerekir. Kağıt doğru yerlerde gerilmeli veya daralmalı. van Rees ve meslektaşları, bu sorunu ele almak için ilk simülasyonlarda sürekli sayfa yerine örgü benzeri bir kafes yapısı kullanmaya karar verdiler.
Kafes, sıcaklık arttığında genişleyen kauçuk gibi bir malzemeden yapıldı ve kafesteki boşluklar, malzemenin özellikle yüzey alanındaki büyük değişikliklere uyum sağlamasını kolaylaştırdı. MIT ekibi, düz bir yüzeyin yapılandırılması için ne kadar eğilmesi gerektiğine dair sanal bir harita oluşturmak için Gauss görüntüsünü kullandı. Daha sonra bunu örgü modeline uygulayacak bir algoritma geliştirdi.
Araştırmacılar, malzemeyi bir burun veya göz şeklini alması için bükülebilen örgü tabakası boyunca farklı oranlarda bükülecek şekilde tasarladılar. Üretilen kafes, sıcak bir fırında sertleştirildi ve daha sonra bir tuzlu su banyosunda oda sıcaklığına soğutuldu. Böylece insan yüzü elde etmek mümkün oldu.
Bu tür şekil değiştiren malzemelerle bir gün sadece sıcaklığı veya diğer ortam koşullarını değiştirerek de kendi başlarına açılabilen ve şişebilen çadırlar yapılabilir. Ayrıca bu teknoloji, değişebilir teleskop lensleri, stentler, yapay dokular oluşturmak için de kullanılabilir.